Tính cấp thiết của đề tài
Đậu gà (Cicer arietinum) là một loài cây họ đậu quan trọng trong nông nghiệp toàn cầu, giàu protein và cung cấp dinh dưỡng thiết yếu, đặc biệt cho người ăn chay Chúng hỗ trợ đất đai màu mỡ qua việc cố định đạm, cải tạo đất và kiểm soát dịch bệnh, nhưng sản lượng và năng suất đã giảm đáng kể ở các nước đang phát triển do ảnh hưởng của hạn hán và mặn, đe dọa an ninh lương thực Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc tăng năng suất cây trồng và phân tích khả năng chống chịu của đậu gà dưới áp lực môi trường như hạn và mặn Các nghiên cứu trước đây đã xác định mức độ biểu hiện của các gene liên quan đến đáp ứng stress, và gần đây, công nghệ giải trình tự hệ phiên mã đã cho phép phân tích mức độ biểu hiện toàn hệ gene trong điều kiện stress hạn và mặn.
Molina et al (2011) đã nghiên cứu riêng lẻ và phân tích chức năng của các gene có biểu hiện khác biệt (DEG) để hiểu cơ chế đáp ứng với stress ở cấp độ phân tử Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu kết hợp dữ liệu microarray trên GEO NCBI để xác định danh sách DEG trong điều kiện stress mặn và hạn trên cây đậu gà Do đó, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu và phân tích nhóm gene kiểm soát đáp ứng đa bất lợi phi sinh học ở cây đậu gà (Cicer arietinum) bằng công cụ tin sinh học dữ liệu lớn” Nghiên cứu khai thác tất cả dữ liệu microarray liên quan đến stress hạn và mặn ở cây đậu gà, tái phân tích để đưa ra danh sách DEG tiềm năng với mức độ phiên mã cao Chức năng của các gene được chú giải dựa trên hệ tham chiếu của cây đậu gà, và tính chất cùng vị trí cư trú nội bào của các protein được phân tích bằng công cụ tin sinh học.
Mục đích và yêu cầu của đề tài
Mục đích của đề tài
Đề tài này nhằm xác định các đặc điểm và cấu trúc gene phù hợp với chức năng đáp ứng các bất lợi môi trường Mục tiêu là tìm ra những gene có mức độ biểu hiện cao khi cây đậu gà chịu tác động của hạn hán và mặn.
Yêu c ầ u c ủa đề tài
Đề tài bao gồm 4 yêu cầu chính sau đây:
- Xác định các gene có mức độ biểu hiện đáp ứng mạnh đồng thời với xử lý hạn và mặn ở cây đậu gà
- Phân tích chức năng của các gene đáp ứng với hạn và mặn ở cây đậu gà
- Xác định đặc tính lý hóa của protein dưới tác động của hạn và mặn trên cây đậu gà
- Dự đoán vị trí phân bố nội bào của protein đáp ứng điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà
PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Giới thiệu chung về cây đậu gà
Tên khoa học, phân loại thực vật và nguồn gốc của cây đậu gà
Đậu gà (Cicer arietinum L.) là một trong 43 loài thuộc chi Cicer, phân họ Đậu (Faboideae), họ Đậu (Fabaceae) Loài này được nghiên cứu nhiều do tầm quan trọng của nó, và việc phân tích hạt giống trong khai quật đã cung cấp nhiều giả thuyết về nguồn gốc đa dạng của đậu gà Đậu gà có quan hệ họ hàng gần nhất với tổ tiên Cicer reticulatum và đã được đưa vào trồng trọt khoảng 10.000 năm trước tại khu vực trung tâm phía đông nam Thổ Nhĩ Kỳ, thuộc vùng "Lưỡi liềm màu mỡ".
Đậu gà có nguồn gốc từ khu tổ hợp nông nghiệp đầu tiên ở châu Âu, được sản xuất qua Biển Đen (Zohary et al., 2012) Loại đậu này có khả năng đã được các bộ lạc Aryan mang đến Ấn Độ vào thiên niên kỷ thứ hai trước Công Nguyên.
Đậu gà, có nguồn gốc từ lưu vực Địa Trung Hải và sông Nile, đã được lan truyền sang phía đông châu Phi Vào năm 1492, thực dân Tây Ban Nha đã đưa đậu gà đến Tân Thế giới trong chuyến hành trình khám phá đầu tiên của Columbus Mặc dù món ăn từ đậu gà hiếm khi xuất hiện trên bàn ăn của hoàng gia, nó lại trở thành thực phẩm thiết yếu cho cả con người và động vật, được công nhận là một nguồn thực phẩm hữu ích toàn cầu (Zohary et al., 2012).
M ộ t s ố đặc điể m chung v ề hình thái c ủa cây đậ u gà
Đậu gà là cây họ đậu hàng năm, có chiều cao từ 20 - 100 cm, đôi khi lên đến 130 cm Rễ cây dài, với rễ cái có thể đâm sâu tới 2 m và nhiều rễ phụ mọc bên dài 15 - 30 cm, chứa vi khuẩn cố định đạm Các cành sơ cấp phát triển từ mặt đất thành chồi và cành bên, dày và khỏe, quyết định hình dáng chung của cây Thân và cành chính cao khoảng 40 - 100 cm, với giống Kabuli thường cao hơn giống Desi Lá mọc xen kẽ dọc theo cành, mỗi cành có 5 - 8 cặp lá chét răng cưa Hoa có hình cánh bướm, thường mọc ở nách lá, với màu tím ở loại Desi và màu trắng ở loại Kabuli Quả có dạng hình thoi, thuôn dài hoặc hình trứng, hạt có mỏ, góc cạnh và nhăn nheo Đậu gà được phân thành hai loại: Desi (nguồn gốc Ấn Độ) và Kabuli (nguồn gốc Địa Trung Hải và Trung Đông).
Kabuli thường lớn hơn với vỏ hạt màu trắng hoặc màu kem Hạt của giống Desi nhỏ, nhăn nheo, có màu nâu, đen hoặc xanh lục (Kaur et al., 2005)
Hình 2.1 Đặc điểm hình thái cây đậu gà (nguồn: Internet)
Đặc điể m di truy ền cây đậ u gà
Đậu gà là loài lưỡng bội tự thụ phấn (2n = 16) với bộ gene khoảng 28629 gene và có kích thước vừa phải khoảng 750 Mbp (Varshney et al., 2013)
Hình 2.2 Thống kê kích thước NST đậu gà (nguồn: Varshney et al., 2013)
Genome của giống đậu gà C arietinum Desi “ICC 4958” đã được giải trình tự với kích thước khoảng 510,877 Mb (Parween et al., 2015) Trong khi đó, giống đậu gà Kabuli “CDC Frontier” có kích thước thực tế ước tính khoảng 738 Mb, nhưng chỉ có khoảng 532,29 Mb (tương đương 71,94%) được ghi nhận trong bản mô tả genome hiện tại (Varshney et al.).
2013) Các dữ liệu cũng được nghiên cứu nhằm xác định kích thước của 8 NST đã được mô tả trên hình 2.2.
Vai trò cây đậu gà
Đậu gà hiện được trồng rộng rãi ở gần 50 quốc gia, với 90% diện tích canh tác (khoảng 13 triệu ha) nằm ở các nước đang phát triển Ấn Độ dẫn đầu về diện tích canh tác, chiếm 67% thị phần sản lượng toàn cầu, tiếp theo là Úc (5,9%), Pakistan (4,6%), Myanmar (3,8%), Thổ Nhĩ Kỳ (3,8%), Ethiopia (3,3%) và Iran (2,3%) Năng suất đậu gà cao ở các nước phát triển, đạt 1706 kg/ha ở Hoa Kỳ và 2077 kg/ha ở Canada, trong khi năng suất trung bình ở châu Á giai đoạn 2012 - 2014 chỉ khoảng
Đậu gà là loại cây họ đậu phổ biến thứ hai trên thế giới, với năng suất đạt 922 kg/ha ở Ấn Độ, 599 kg/ha ở Pakistan và 530 kg/ha ở Iran Nhu cầu toàn cầu về đậu gà đã tăng mạnh, từ 65 quốc gia nhập khẩu năm 1991 lên 164 quốc gia năm 2011 (FAOSTAT, 2019) Đây là nguồn cung cấp protein giá rẻ, chất lượng cao trong chế độ ăn uống của người Ấn Độ và các nước đang phát triển, đặc biệt là ở Nam Á, nơi có nhiều người ăn chay (Sharma et al., 2020) Đậu gà chứa albumin và globulin với hàm lượng protein từ 16% - 30%, cao hơn 2 - 3 lần so với hạt ngũ cốc (8% - 16%) Hơn nữa, hàm lượng chất xơ cao trong đậu gà giúp ổn định đường huyết và kiểm soát bệnh tiểu đường hiệu quả (Mudryj et al., 2014).
Năng lượng từ đậu gà chủ yếu đến từ carbohydrate, chiếm 51% - 65% ở loại Desi và 54% - 71% ở hạt Kabuli Chế độ ăn giàu chất xơ, ít béo và có lượng đường, đạm vừa phải rất quan trọng cho việc kiểm soát cân nặng Theo dữ liệu từ chương trình Khảo sát Kiểm tra Sức khỏe và Dinh dưỡng Quốc gia (2003 - 2010), người tiêu thụ đậu gà có nguy cơ béo phì giảm đến 53% và khả năng tăng mức đường huyết giảm 51% (Rashid et al.).
Đậu gà là nguồn thực phẩm giàu axit béo không bão hòa và các vitamin B quan trọng như B1, B3, B9 Hạt đậu gà cũng chứa các chất chống oxy hóa carotenoid, mang lại màu sắc tươi sáng cho thực vật Các carotenoid quan trọng trong đậu gà bao gồm β-carotene, lutein, zeaxanthin, β-cryptoxanthin, lycopene và α-carotene Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các thành phần trong đậu gà có thể giúp giảm nguy cơ mắc các bệnh ung thư, bệnh tim, bệnh tiểu đường loại 2, đồng thời tốt cho xương và cải thiện sức khỏe tim mạch nhờ vào hàm lượng dinh dưỡng phong phú.
Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng cơ bản có trong đậu gà (dữ liệu tham khảo từCơ sở dữ liệu dinh dưỡng quốc gia USDA
(https://ndb.nal.usda.gov/ndb/)
Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Hạt đậu gà khô Hạt đậu gà nấu chín
Đậu gà chứa vitamin E với hàm lượng 0,82 mg và 0,35 mg, đồng thời có thành phần amylose cao hơn so với các loại ngũ cốc khác Amylose có mức độ polyme hóa cao và khả năng kháng tiêu hóa tốt trong ruột non, dẫn đến việc cung cấp glucose vào máu chậm hơn, từ đó giảm nhu cầu insulin và chỉ số đường huyết (GI) Việc giảm GI là yếu tố quan trọng trong việc giảm tỷ lệ mắc bệnh và mức độ nghiêm trọng của bệnh tiểu đường loại 2 (Kendall et al., 2004) Do đó, hạt đậu gà có thể được tích hợp vào chế độ ăn uống hàng ngày để hỗ trợ giảm huyết áp (Jukanti et al., 2012).
Nghiên cứu cho thấy việc kết hợp đậu gà trong chế độ ăn có thể giảm nguy cơ ung thư trực tràng Tiêu thụ 200g đậu gà mỗi ngày tạo ra butyrate, một axit béo bay hơi, có tác dụng ức chế sự tăng sinh tế bào, từ đó làm giảm nguy cơ ung thư đại trực tràng (Cummings et al., 1981) Ngoài ra, lycopene, một carotenoid có trong hạt đậu gà, cũng được chứng minh là có khả năng giảm nguy cơ ung thư tuyến tiền liệt (Jukanti et al., 2012).
Hình 2.3 Vai trò của đậu gà
Hầu hết các bộ phận của cây đậu gà, bao gồm vỏ hạt, thân và lá, đều có thể được sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi Hạt đậu gà thường được xay xát để làm thức ăn cho động vật, nhờ vào hàm lượng chất ức chế trypsin và chymotrypsin thấp, giúp tiêu hóa dễ dàng hơn Tuy nhiên, cây đậu gà cũng chứa một lượng axit oxalic không tốt cho gia súc Là một loại cây thuộc họ đậu, đậu gà có vi khuẩn cố định đạm (Rhizobium) trong nốt sần ở rễ, giúp chuyển đổi N2 thành dạng mà cây có thể hấp thụ Việc luân canh đậu gà với các cây trồng khác rất quan trọng trong việc cải tạo và duy trì độ phì nhiêu của đất, đồng thời giúp phá vỡ chu kỳ bệnh và côn trùng gây hại, từ đó tăng năng suất cây trồng.
Tình hình nghiên cứu
Một số nghiên cứu về cây đậu gà đối với các bất lợi môi trường trên thế
Đậu gà là cây họ đậu quan trọng, được sản xuất và tiêu thụ rộng rãi trên toàn cầu, cung cấp nhiều vi chất dinh dưỡng, đặc biệt cho chế độ ăn chay Mặc dù diện tích trồng lớn, sản lượng đậu gà giữa các quốc gia vẫn chênh lệch do ảnh hưởng của các yếu tố phi sinh học, như căng thẳng độ mặn Nghiên cứu của Kaashyap et al (2018) đã xác định 3.053 gene có biểu hiện khác biệt liên quan đến khả năng chịu mặn ở đậu gà, trong đó có các gene quan trọng như cationic peroxidase, asparticase, NRT1/PTR, phosphatidylinitol phosphate kinase, DREB1E và ERF Phân tích chức năng của các gene này mở ra tiềm năng cải thiện khả năng dung nạp và chống chịu muối ở đậu gà.
Theo nghiên cứu của Deokar et al (2015), yếu tố phiên mã AP2/ERF đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng của cây đậu gà với các căng thẳng sinh học và phi sinh học Đặc biệt, yếu tố CarERF116 thể hiện sự khác biệt giữa giống đậu gà chịu hạn và mẫn cảm trong điều kiện hạn, với chức năng mã hóa protein 241 amino acid thuộc nhóm IX của họ ERF Nghiên cứu chỉ ra rằng CarERF116 liên quan đến các hoạt động chuyển hóa và có miền phiên mã chức năng ở vùng C-terminal Gene này được xác định là một yếu tố đáp ứng với căng thẳng phi sinh học, góp phần quan trọng vào khả năng chống chịu với các yếu tố môi trường bất lợi Nghiên cứu cũng giúp xác định hệ gene và phân tích tiến hóa của họ gene ERF ở đậu gà, tạo điều kiện cho các nghiên cứu sâu hơn và cung cấp nguồn tài nguyên quý giá để so sánh bộ gene giữa các cây họ đậu.
Tình hình nghiên c ứ u v ề cây đậu gà đố i v ới các điề u ki ệ n b ấ t l ợ i c ủ a môi trường tại Việt Nam
Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các gene thiết yếu liên quan đến đáp ứng với điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà, đặc biệt là các gene mã hóa protein điều hòa như nhân tố phiên mã NAC, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các quá trình sinh học như phát triển, tăng trưởng và phản ứng với môi trường Trong nghiên cứu này, các thành viên của họ NAC TF trên cây đậu gà đã được xác định và đánh giá đặc điểm biểu hiện trong điều kiện mất nước và xử lý abscisic acid (ABA), với tổng cộng bảy mươi một gene được phân tích.
CaNAC được phát hiện từ bộ gene đậu gà, bao gồm 8 gene liên quan đến phản ứng mất nước Tác giả đã cung cấp bản đồ biểu hiện của CaNAC trong các mô khác nhau và kiểm tra sự biểu hiện của nó trong rễ và lá của cây con đậu gà dưới các điều kiện tưới nước tốt, mất nước và xử lý ABA Kết quả nghiên cứu hỗ trợ phát triển các giống đậu gà chuyển gene với năng suất cải thiện trong điều kiện hạn hán.
Nghiên cứu về cấu trúc gene và protein của họ SWEETs cho thấy chúng có chức năng vận chuyển đường và quan trọng trong phản ứng với căng thẳng của thực vật Tác giả đã xác định tất cả các thành viên CaSWEET trong đậu gà và thu thập các đặc điểm chính như tính chất lý hóa, phân bố nhiễm sắc thể, bản địa hóa dưới tế bào, tổ chức gene và cấu trúc không gian protein ba chiều Cuối cùng, nghiên cứu đã phân tích sự thay đổi mức độ phiên mã của gene CaSWEET trong lá và rễ sau khi xử lý mất nước và abscisic acid ngoại sinh bằng RT-qPCR, cung cấp thông tin giá trị về vai trò của chúng trong phản ứng của đậu gà với điều kiện thiếu nước.
Kết quả cung cấp những hiểu biết đầu tiên về đặc điểm của các thành viên họ
CaSWEET là nền tảng giúp xác định đặc điểm chức năng chuyên sâu của các gene ứng cử viên, phục vụ cho kỹ thuật di truyền của gà trong việc xử lý stress hạn.
Nghiên cứu của Trần Duy Cường và cộng sự (2018) đã chỉ ra vai trò tiềm năng của các yếu tố phiên mã CaTCP trong việc đáp ứng với các tác nhân kích thích tăng trưởng và môi trường Đã xác định 23 gene CaTCP và kiểm tra các đặc điểm như phân bố nhiễm sắc thể, cơ chế sao chép gene, đặc điểm protein và các vùng bảo tồn Phân tích phát sinh loài được thực hiện để nghiên cứu mối quan hệ giữa các CaTCP Chức năng của các gene này được xác định thông qua cấu hình biểu hiện trong các mô khác nhau ở các giai đoạn phát triển Sử dụng real-time PCR, tác giả đã phát hiện sáu và tám gene CaTCP có biểu hiện tăng và giảm ít nhất gấp hai lần trong điều kiện kiểm soát nước ở mô lá và rễ đậu gà, trong đó tám gene cũng phản ứng với abscisic acid (ABA) Gene CaTCP07 được ghi nhận có biểu hiện cao nhất trong các thí nghiệm Nghiên cứu này là báo cáo đầu tiên về phân tích toàn diện họ gene CaTCP ở đậu gà, cung cấp thông tin hữu ích cho việc tìm hiểu chức năng của từng gene.
PHẦN III: PHẠM VI, NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
Ph ạ m vi nghiên c ứ u
Thời gian nghiên cứu diễn ra từ tháng 09/2021 đến tháng 03/2022, tại phòng thí nghiệm bộ môn Sinh học phân tử thuộc Khoa Công nghệ Sinh học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu các nội dung chính sau:
- Xác định các gene có mức độ biểu hiện đáp ứng mạnh đồng thời với xử lý hạn và mặn ở cây đậu gà
- Phân tích chức năng của các gene đáp ứng với hạn và mặn ở cây đậu gà
- Xác định đặc tính lý hóa của protein mã hóa bởi DEG
- Dựđoán vị trí cư trú nội bào của protein.
Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Vật liệu nghiên cứu
Nghiên cứu này đã thu thập dữ liệu microarray liên quan đến xử lý stress hạn và mặn ở cây đậu gà từ GEO NCBI (Barrett et al., 2013) Hệ tham chiếu, bao gồm hệ gene và hệ protein của cây đậu gà, đã được khai thác từ Phytozome (Goodstein et al., 2012) và NCBI (Jain et al., 2013).
Phương pháp nghiên cứu
3.3.2.1 Phương pháp tìm kiếm các cơ sở dữ liệu gene liên quan đến ảnh hưởng các tác nhân hạn và mặn đến câu đậu gà
Nguyên lý của nghiên cứu này là khai thác dữ liệu biểu hiện gene liên quan đến các tác nhân phi sinh học như hạn hán và mặn ảnh hưởng đến cây đậu gà, dựa trên cơ sở dữ liệu GEO.
Datasets (Barrett et al., 2013) Kết quả được phân tích và minh họa bằng công cụ Exel
Hình 3.1 Phương pháp tìm kiếm từkhóa liên quan đến các điều kiện hạn và mặn tác động lên cây đậu gà
Bước 1: Nhập từ khóa “Gene Expression Omnibus” trên Google sau đó nhấp vào liên kết của trang NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)
Bước 2: Nhập từ khóa liên quan đến điều kiện hạn như: “Chickpea Drought” tại thanh công cụ “Tìm kiếm”
Bước 3: Trang hiển thị 54 kết quả liên quan đến từ khóa Để tìm kiếm cụ thể hơn, hãy chọn “Series” ở thanh công cụ bên trái, giúp trang chủ hiển thị 7 kết quả cần tìm.
Bước 4: Tổng hợp thông tin cụ thể
Bước 5: Lặp lại các bước tương tự với các điều kiện mặn bằng từ khóa:
3.3.2.2 Phương pháp sàng lọc các cơ sở dữ liệu gene phù hợp liên quan đến ảnh hưởng các tác nhân phi sinh học đến cây đậu gà
Nguyên lý sàng lọc dữ liệu gene liên quan đến ảnh hưởng của các tác nhân phi sinh học đến cây đậu gà được thực hiện bằng cách phân loại và chọn lọc các dữ liệu theo cùng một hệ quy chiếu Cụ thể, các cơ sở dữ liệu được tổ chức dựa trên “Gen ID” (mã gene).
Bước 1: Truy cập vào từng cơ sở dữ liệu đã được tìm kiếm trên GEO Datasets
(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)
Bước 2: Trong ô “Supplementary file” chọn “Download”, tải xuống chọn “ftp” hoặc “custom”
Bước 3: Mở file đã tải xuống và kiểm tra “Gene ID”, lưu các thông tin đã kiểm tra được dưới dạng Exel
Bước 4: Tổng hợp thông tin và chọn lọc các cơ sở dữ liệu sử dụng mã gene giống nhau và lưu thông tin dạng Exel
3.3.2.3 Phương pháp phân tích và kết hợp các dữ liệu để xác định biểu hiện gene đáp ứng với điều kiện hạn và mặn
Để phân tích dữ liệu biểu hiện liên quan đến tác nhân hạn và mặn trên cây đậu gà, các số liệu được lọc với giá trị fold-change (FC) ≥ 15 và ≤ -15 Giá trị fold-change của gene được tính theo công thức (FPKM trong xử lý stress)/(FPKM trong điều kiện đối chứng) Các gene có biểu hiện khác biệt (differentially expressed gene, DEG) được định nghĩa là gene có giá trị |fold-change| ≥ 15, bao gồm gene tăng cường biểu hiện (FC ≥ 15) và gene kìm hãm biểu hiện (FC ≤ -15) Kết hợp dữ liệu biểu hiện tăng cường và kìm hãm, các gene đáp ứng ở cả hai điều kiện hạn và mặn được xác định, đóng vai trò là nguồn vật liệu để tìm kiếm các trình tự amino acid Các bước tiến hành được mô tả trong hình 3.3.
Hình 3.3 Phương pháp kết hợp và xử lý số liệu biểu hiện liên quan đến hạn và mặn ởcây đậu gà
Bước 1: Tính toán các giá trị FC: FC = Treatment/Control
Bước 2: Lọc tất cả dữ liệu có giá trị FC ≥ 15 và FC ≤ -15
Kết hợp dữ liệu từ ngân hàng gene GSE70247 và GSE70377, chúng tôi chọn các gene có giá trị FC ≥ 15 và FC ≤ -15 Sau đó, chúng tôi vẽ sơ đồ mô tả các gene biểu hiện mạnh dưới cả hai điều kiện hạn và mặn.
3.3.2.2 Phương pháp xác định chức năng các gene đáp ứng với điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà
Để xác định chức năng của các gene phản ứng với điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà, mã định danh của các DEG được đối chiếu với bản chú giải hệ gene của cây đậu gà đã được mô tả trong nghiên cứu trước đây (Jain et al.).
2013) Cụ thể, cổng PCD (Pulse Crop Database), Phytozome (Goodstein et al.,
NCBI đã cung cấp hệ tham chiếu cho cây đậu gà (Jain et al., 2013), cho phép tìm kiếm trình tự protein đầy đủ tương ứng với từng mã định danh của DEG Trình tự protein này sau đó được truy vấn trên cổng Pfam (El-Gebali et al., 2019) để xác minh chức năng gene.
Hình 3.4 Phương pháp xác định chức năng các gene đáp ứng với điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà
Bước 1: Truy cập cổng thông tin PCD (https://www.pulsedb.org/find/genes) Bước 2: Trong thanh công cụ “Chi” và “Loài” nhấn chọn lần lượt “Cicer” và
Bước 4: Thu thập các thông tin liên quan về chức năng gene
3.3.2.3 Phương pháp xác định đặc tính lý hóa của protein liên quan đến điều kiện hạn và mặn
Để xác định các đặc tính lý hóa của protein trong điều kiện hạn và mặn, công cụ Expasy Protparam (Gasteiger et al., 2005) được sử dụng để tìm kiếm trình tự protein dựa trên dữ liệu gene đã có Kết quả từ Expasy Protparam cung cấp thông tin về kích thước phân tử (aa), trọng lượng phân tử (kDa), điểm đẳng điện, độ bất ổn định và độ ưa nước trung bình.
Hình 3.5 Phương pháp xác định đặc tính lý hóa của protein liên quan đến điều kiện hạn và mặn
Bước 1: Truy cập trang Expasy ProtParam (https://web.expasy.org/protparam/) Bước 2: Dán chuỗi dữ liệu của từng protein vào ô
Bước 3: Nhấp vào “Tính toán tham số”
Bước 4: Dữ liệu được phân tích trên Microsoft Excel
3.3.2.4 Phương pháp dự đoán vị trí cư trú nội bào của các protein đáp ứng với điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà
Để dự đoán vị trí phân bố nội bào của protein trên cây đậu gà trong điều kiện hạn và mặn, chúng ta sử dụng trình tự amino acid đã xác định qua phương pháp xử lý số liệu Sau đó, kết quả được truy vấn trên công cụ YLoc (Briesemeister et al., 2010), công cụ này sẽ trực tiếp dự đoán vị trí phân bố nội bào và cung cấp kết quả.
Hình 3.6 Phương pháp dựđoán vị trí phân bố nội bào của protein đáp ứng với hạn và mặn trên cây đậu gà
Bước 1: Truy cập vào cổng thông tin YLoc (https://abi-services.informatik.uni- tuebingen.de/yloc/webloc.cgi)
Bước 2: Chọn chức năng “Dựđoán với YLoc” trên thanh công cụ
Bước 3: Copy trình tự amino acid dạng Fasta vào ô tìm kiếm
Bước 4: Chọn lệnh “Yloc-HighRes”, “Plants”, ấn “Dự đoán”
Bước 5: Thu thập thông tin dự đoán vị trí nội bào từ phần mềm
PHẦN VI: KẾT QUẢVÀ THẢO LUẬN
Kết quả tìm kiếm các cơ sở dữ liệu gene liên quan đến ảnh hưởng các tác nhân h ạ n và m ặn đến cây đậ u gà
Để khai thác dữ liệu biểu hiện gene, cổng thông tin GEO NCBI được sử dụng để tìm kiếm các cơ sở dữ liệu liên quan đến điều kiện bất lợi phi sinh học ở cây đậu gà trong điều kiện hạn và mặn Tổng cộng, 10 cơ sở dữ liệu liên quan đến sự biểu hiện gene trong các điều kiện này đã được khai thác và sử dụng để nghiên cứu ở các thời điểm khác nhau.
Bảng 4.1 Kết quảliên quan đến tìm kiếm các cơ sở dữ liệu liên quan đến điều kiện hạn và mặn
Mã định danh Điều kiện
Giai đoạn Phương pháp Mã gene Nguồn
Giai đoạn phân sinh đỉnh chồi
GSE89228 Hạn Lá Giai đoạn sinh trưởng
Giai đoạn sinh trưởng, sinh sản
GSE12812 Hạn Rễ Giai đoạn cây từ 3-5 tuần tuổi
GSE8554 Hạn Chồi, hoa, mô rễ
Giai đoạn sinh sản Pulse Chip LCA Mantri et al., 2007
GSE7416 Hạn Chồi, lá, hoa, quả non
Giai đoạn sinh sản Pulse Chip LCA, LS Mantri et al., 2007
Mã định danh Điều kiện
Giai đoạn Phương pháp Mã gene Nguồn
Giai đoạn sinh trưởng, sinh sản
PGM Ca Mantri et al., 2018
Giai đoạn sinh trưởng, sinh sản
GSE26638 Mặn Rễ Giai đoạn sinh trưởng 454 GS
GSE7418 Mặn Chồi, rễ Giai đoạn sinh trưởng Pulse Chip LS, LCL,
Kết quả khai thác cho thấy có tổng cộng 10 cơ sở dữ liệu gene được tìm kiếm, với các nghiên cứu diễn ra trong các điều kiện và giai đoạn khác nhau, chủ yếu tập trung vào giai đoạn sinh trưởng và sinh sản Các cơ quan phân tích chủ yếu là rễ (43%), chồi (22%) và lá (14%), trong khi hoa (14%) và quả non (7%) cũng được xem xét Đặc biệt, dữ liệu liên quan đến điều kiện hạn chiếm ưu thế với 6 kết quả, bao gồm GSE104609, GSE89228, GSE70274, GSE12812, GSE8554 và GSE7416, chiếm 60% tổng số.
Hình 4.1 Sốlượng các cơ sở dữ liệu microarray liên quan đến stress hạn và mặn ởcây đậu gà trên công cụ GEO NCBI
Cơ sở dữ liệu GSE104609 (Badhan et al., 2018) đã phân tích lá từ giai đoạn mô phân sinh đỉnh chồi bằng cách sử dụng trình tự RNA, nhằm xác định các gene và con đường liên quan đến khả năng chịu hạn.
Báo cáo cho thấy phương pháp giải trình tự RNA đã được áp dụng để xác định các gene liên quan đến khả năng chịu hạn trong mô lá đậu xanh của hai giống ICC8261 và ICC283 Nghiên cứu đã chỉ ra các con đường sinh học, tế bào và phân tử ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn dưới áp lực hạn hán Sự khác biệt đáng kể giữa hai giống cho thấy mức độ ảnh hưởng của stress do hạn hán đến các cơ chế sinh lý khác nhau của chúng.
Dữ liệu từ GSE70274 (Garg et al., 2016) đã thu thập rễ của các giống đậu gà từ cây ở giai đoạn sinh sản và sinh dưỡng dưới tác động của kiểm soát nước và hạn hán Tổng số RNA được phân lập từ các mẫu mô này đã được giải trình tự bằng công nghệ Illumina và các công cụ khác, nhằm lọc ra các lượt đọc chất lượng cao để tính toán biểu hiện gene.
Theo như phân tích lần lượt từ ngân hàng gene GSE8554 và GSE7416
Theo Mantri et al (2007), 'Pulsechip' là một microarray cDNA được phát triển từ sự kết hợp của nhiều loại cây họ đậu, bao gồm đậu gà, nhằm tạo ra hồ sơ biểu hiện cho các giống đậu gà có khả năng chịu hạn, lạnh và mặn cao Các thí nghiệm được thực hiện lặp lại ba lần, trong đó mô lá, chồi, hoa và quả được thu thập để đo lường sự thay đổi lượng RNA so với đối chứng Mô từ năm cây nhân bản thí nghiệm được gộp chung hoặc riêng trước khi tách chiết RNA, và RNA này được sử dụng để chuẩn bị các mục tiêu cDNA cho phân tích biểu hiện bằng microarray.
Cơ sở dữ liệu GSE70274 (Garg et al., 2016) đã phân tích dữ liệu transcriptome từ ngân hàng gene của cây đậu gà trong điều kiện hạn, giúp khai thác thông tin về biểu hiện gene liên quan đến stress nước và hạn hán trong giai đoạn sinh sản và sinh dưỡng RNA tổng được tách từ mẫu mô rễ và giải trình tự bằng công nghệ Illumina Dữ liệu trình tự được lọc bằng bộ công cụ QC NGS để đảm bảo chất lượng cao Các lần đọc đã lọc được ánh xạ tới bộ gene đậu xanh thông qua TopHat, và FPKM được tính toán bằng phần mềm Cufflinks để đo biểu hiện gene Phân tích biểu thức sai biệt được thực hiện bằng Cuffdiff nhằm xác định các gene biểu hiện khác biệt trong các điều kiện stress khác nhau.
Cơ sở dữ liệu GSE89228 (Sinha et al., 2017) và GSE12812 (Molina et al., 2008) đã được phân tích thông qua phân tích transcriptome và công cụ Super SAGE để nghiên cứu hồ sơ biểu hiện gene Tuy nhiên, dữ liệu từ các ngân hàng GSE89228 và GSE12812 không được công khai, do đó bài báo này sẽ không đề cập đến chúng.
Phân tích dữ liệu về xử lý mặn đã cho ra 4 kết quả quan trọng, chiếm 40% tổng số, bao gồm các cơ sở dữ liệu GSE110127, GSE70377, GSE26638 và GSE7418 Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào rễ và chồi, với các dữ liệu cụ thể từ GSE110127 (Mantri et al., 2018) và GSE70377 (Garg et al., 2016).
GSE26638 (Molina et al., 2011) và GSE7418 (Mantri et al., 2007) đều nghiên cứu mẫu cây trồng trong điều kiện mặn bằng cách xử lý với NaCl, diễn ra trong giai đoạn sinh dưỡng và sinh thực của cây.
Dựa trên thông tin từ ngân hàng gene GSE11027 (Mantri et al., 2018), nghiên cứu đã phân tích các mô rễ của giống chịu mặn (JG 11) và giống nhạy cảm với muối (ICCV 2) thông qua trình tự RNA Mục tiêu là xác định các gene và con đường liên quan đến khả năng chống chịu và mẫn cảm của hai giống cây này.
Cơ sở dữ liệu GSE70377 (Garg et al., 2016) đã ghi nhận khoảng 600 triệu lượt đọc chất lượng cao từ 16 thư viện, bao gồm mẫu rễ đối chứng và mẫu rễ chịu căng thẳng mặn trong giai đoạn phát triển, thông qua nền tảng giải trình tự Illumina Tổng số RNA được phân lập từ các mẫu khác nhau, và các lần đọc được lọc đã được ánh xạ tới bộ gene đậu xanh có chú thích bằng TopHat Đo lường biểu hiện gene được thực hiện bằng cách tính toán các đoạn trên mỗi exon kilobase/triệu (FPKM) cho mỗi gene trong tất cả các mẫu bằng phần mềm Cufflinks.
Ngân hàng GSE26638 (Molina et al., 2011) nghiên cứu phản ứng căng thẳng của đậu gà với muối ở cấp độ transcriptome Tác giả đã thu thập mẫu rễ và nốt sần của cây đậu gà trong giai đoạn sinh trưởng dưới tác động của stress mặn, sử dụng công cụ deepSuperSAGE để phát hiện những thay đổi sớm trong khả năng chống chịu áp lực mặn Tuy nhiên, kết quả phân tích dữ liệu gene vẫn chưa được công khai trên cổng thông tin GEO NCBI.
Cơ sở dữ liệu GSE7418 (Mantri et al., 2007) mô tả 'Pulsechip', một microarray cDNA được phát triển từ các loại đậu như đậu gà, đậu lăng và một số cây họ đậu khác, nhằm tạo ra cấu hình biểu hiện gene chịu mặn và dễ bị áp lực Các thí nghiệm được lặp lại ba lần, với mẫu lá, chồi và rễ được thu thập sau 24 và 48 giờ xử lý để đo lường sự thay đổi RNA so với đối chứng Mẫu từ các cây thử nghiệm được gộp lại trước khi chiết xuất RNA, và RNA này được sử dụng để chuẩn bị cDNA cho phân tích biểu hiện gene qua microarray.
Kết quả sàng lọc các cơ sở dữ liệu biểu hiện gene liên quan đến điều kiện hạn và mặn đến cây đậu gà
Công cụ GEO NCBI (Barrett et al., 2013) được sử dụng để xác định tất cả dữ liệu từ ngân hàng gene, bao gồm các mô đã được xử lý và giống.
ID gene và các thông số biểu hiện gene đã được phân loại dựa trên các nền tảng phân tích liên quan, nhằm đảm bảo tính nhất quán trong kết quả Dữ liệu này được trình bày trong hình 4.2.
Để xác nhận và sàng lọc các dữ liệu biểu hiện gene phù hợp trong điều kiện hạn và mặn, các tệp dữ liệu thông tin đã được tải xuống và phân loại trên cùng một hệ quy chiếu Cụ thể, dữ liệu từ mã định danh GSE70247 (Garg et al., 2016) ở điều kiện hạn hán và GSE70377 (Garg et al., 2016) ở điều kiện mặn trùng khớp với nhau do sử dụng cùng loại mã gene trong các thời điểm sinh trưởng thích hợp Các ngân hàng gene khác sử dụng mã gene không trùng khớp với hai cơ sở dữ liệu này Do đó, trong bài báo cáo này, hai ngân hàng dữ liệu được sử dụng là GSE70247 và GSE70377.
Kết quả phân tích, xử lý dữ liệu và kết hợp các dữ liệu để xác định biểu hiện
K ế t qu ả phân tích và x ử lý d ữ li ệ u bi ể u hi ệ n h ệ phiên mã trong stress h ạ n và mặn ở cây đậu gà
Để phân tích dữ liệu biểu hiện phiên mã trong điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà, công cụ Excel đã được sử dụng để xử lý và kết hợp các dữ liệu phân loại Kết quả cho thấy có nhiều gene biểu hiện mạnh trong cả hai điều kiện bất lợi này Trong nghiên cứu, gene được xác định là có biểu hiện mạnh khi có giá trị fold-change ≥ 1.
15 (gene tăng cường) hoặc ≤ -15 (gene kìm hãm)
Trong cơ sở dữ liệu GSE70247, dữ liệu được phân loại và tổng hợp nhằm xác định các gene có mức độ biểu hiện tăng cường mạnh với giá trị fold-change ≥ 15, cũng như các gene có mức độ biểu hiện kìm hãm mạnh với giá trị fold-change ≤ -15.
Trong thời gian 50 ngày, có tổng cộng 2.627 gene đáp ứng với điều kiện hạn, trong đó 220 gene có biểu hiện tăng cường mạnh (fold - change ≥ 15) và 2.408 gene có biểu hiện giảm mạnh (fold - change ≥ 15).
Hình 4.3 Sốlượng gene biểu hiện mạnh trong điều kiện hạn
Kết quả phân tích từ bộ dữ liệu transcriptome GSE70377 của cây đậu gà trong điều kiện mặn cho thấy có tổng cộng 614 gene biểu hiện mạnh, trong đó 474 gene có mức độ biểu hiện tăng cường mạnh (fold-change ≥ 15) và 141 gene có mức độ biểu hiện kìm hãm mạnh (fold-change ≤ -15).
Hình 4.4 Sốlượng gene biểu hiện mạnh trong điều kiện mặn
Hình 4.5 Bản đồ nhiệt mô tả các DEG trong hai dữ liệu liên quan đến stress hạn và mặn ởcây đậu gà
Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng có 1.624 gene biểu hiện khác biệt trong điều kiện khô hạn trên cây đậu gà, trong đó 97 gene đáp ứng với cả hai giống chịu hạn BG-362 và P-256 (Kumar et al., 2019) Badhan et al (2018) đã xác định 1.562 gene biểu hiện khác nhau (DEG) trong lá cây đậu gà dưới stress hạn, bao gồm 693 gene tăng cường và 869 gene kìm hãm biểu hiện Ngoài ra, nghiên cứu về stress mặn ở mẫu rễ cho thấy có 1.309 DEG, trong đó 1.000 gene tăng cường và 309 gene kìm hãm biểu hiện đã được xác định trong giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng và sinh thực (Kaashyap et al.).
Kết quả kết hợp và chọn lọc các dữ liệu biểu hiện gene phù hợp đáp ứng với ảnh hưởng của hai tác nhân hạn và mặn mặn trên cây đậu gà
Để xác định các gene liên quan đến ảnh hưởng của hạn và mặn ở cây đậu gà, công cụ Excel đã được sử dụng, cho thấy có 205 gene biểu hiện đồng thời trong điều kiện bất lợi này Phân tích mức độ biểu hiện của các gene cung cấp cái nhìn tổng quan về phản ứng của đậu gà trước các điều kiện căng thẳng phi sinh học, từ đó tạo nguồn thông tin tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo.
Hình 4.6 Kết quả tìm kiếm các gene biểu hiện mạnh với bất lợi môi trường
Trong nghiên cứu, tổng cộng 205 gene đã được xác định có biểu hiện mạnh mẽ dưới tác động bất lợi từ môi trường Kết quả phân tích cho thấy 41 gene trong số đó có sự thay đổi biểu hiện, bao gồm 15 gene tăng cường trong điều kiện hạn hán và mặn, trong khi 26 gene bị kìm hãm Gene Ca_22375 có mức độ biểu hiện tăng cao nhất ở mẫu rễ trong stress hạn với giá trị 73,96 lần, trong khi gene Ca_23121 tăng cường phiên mã mạnh nhất ở rễ trong điều kiện stress mặn với giá trị 149,54 lần Ngoài ra, Ca_10731 và Ca_22885 là hai gene bị kìm hãm mạnh nhất ở mẫu rễ trong cả hai loại stress, với giá trị lần lượt là -832,70 và -58,66 lần.
Bảng 4.2 Các gene đều có biểu hiện tăngđồng thời giữa hai tác nhân hạn và mặn STT Tên gene GSE70274 (Lần) GSE70377 (Lần)
Bảng 4.3 Các gene cùng có biểu hiện giảm đồng thời giữa cả 2 tác nhân hạn và mặn
STT Tên gene GSE70274 (Lần) GSE70377 (Lần)
K ế t qu ả phân tích ch ứ c n ăng củ a cá c gene đ áp ứ ng v ớ i điề u ki ệ n h ạ n và
Để phân tích chức năng của các gene đáp ứng với hạn và mặn ở cây đậu gà, các cổng thông tin như PCD, Phytozome và NCBI cung cấp hệ tham chiếu cho cây đậu gà, giúp tìm kiếm trình tự protein đầy đủ tương ứng với từng mã định danh của DEG Trình tự protein này sau đó được khai thác và truy vấn trên cổng Pfam.
Nghiên cứu của Gebali et al (2019) đã kiểm chứng chức năng của các gene, cho thấy hầu hết các gene này có vai trò quan trọng trong việc đáp ứng với stress hạn và mặn ở cây đậu gà.
Bảng 4.4 Kết quả phân tích chức năng của các gene đáp ứng với mặn và hạn trên cây đậu gà
STT Tên gene Vị trí trên NST Mã
702587 PF01852 StAR-related lipid-transfer
Enoyl-CoA hydratase/isomera se
NLI interacting factor-like phosphatase
CobB/CobQ-like glutamine Amidotransferase
617999 PF03171 2OG-Fe(II) oxygenase
15 Ca_23668 contig51368:289 896 PF00588 SpoU rRNA
3-Oxoacyl-[acyl- carrier-protein (ACP)] synthase
3656 PF01063 Amino-transferase nhóm IV
630645 PF03732 Retrotransposon capsid-like protein
0360 PF03732 Retrotransposon capsid-like protein
Kết quả phân tích cho thấy, các gene chủ yếu tập trung tại đoạn nhiễm sắc thể Ca_LG4 với 8 kết quả, tiếp theo là Ca_LG1, Ca_LG3 và Ca_LG6 với 6 kết quả, trong khi Ca_LG7 có 5 gene, Ca_LG8 có 2 gene, và Ca_LG2 là vị trí có số lượng gene thấp nhất Đáng chú ý, có 4 gene chưa xác định rõ vị trí trên NST Hầu hết các DEG mã hóa cho các protein điều hòa và chức năng quan trọng trong quá trình chống chịu stress ở cây trồng, trong đó 12 trên tổng số 41 DEG mã hóa cho các nhóm protein chức năng như transporter, với Ca_14927 mã hóa cho ammonia transporter Phần lớn các DEG (24 trên tổng số 41) mã hóa protein điều hòa, chủ yếu là enzyme và nhân tố phiên mã, ví dụ như Ca_09553 và Ca_23092 mã hóa cho O-methyltransferase và NADH dehydrogenase Hai gene Ca_07290 và Ca_00759 mã hóa cho các thành viên của nhóm nhân tố phiên mã, bao gồm Zinc finger C3HC4 type và Histone-like transcription factor.
Các gene Ca_08179, Ca_05326, Ca_07754, Ca_10731 và Ca_12146 chưa được chú giải chức năng trên hệ tham chiếu của cây đậu gà Bốn gene, ngoại trừ Ca_08179, có xu hướng kìm hãm biểu hiện ở mẫu rễ khi chịu stress hạn và mặn, cho thấy tiềm năng của chúng trong phân tích chức năng gene trong nghiên cứu tiếp theo Các gene này liên quan đến điều kiện bất lợi môi trường, mã hóa cho hai nhóm protein chính: protein chức năng và protein điều hòa Trong cơ chế đáp ứng stress hạn, nhiều DEG đã được ghi nhận mã hóa cho protein liên quan đến điều hòa khí khổng, sửa đổi tế bào, vận chuyển xuyên màng, và điều hòa phiên mã Một số DEG cũng mã hóa cho nhân tố phiên mã MYB và enzyme liên quan đến quang hợp Tương tự, trong stress mặn, hầu hết các DEG mã hóa cho protein liên quan đến cấu trúc thành tế bào, vận chuyển xuyên màng, và đáp ứng stress oxi hóa, với các protein vận chuyển lipid và nhân tố phiên mã NAC tăng cường biểu hiện trong điều kiện stress mặn.
Kết quả phân tích đặc tính lý hóa của protein liên quan đến điều kiện của hạn và mặn
Để phân tích đặc tính lý hóa của các gene phản ứng mạnh với điều kiện môi trường bất lợi, công cụ Expasy Protparam (Gasteiger et al., 2005) được sử dụng để thu thập các thông số gene Các thông số này bao gồm kích thước (aa), trọng lượng phân tử (kDa), điểm đẳng điện, độ bất ổn định và độ ưa nước trung bình của các protein phản ứng và biểu hiện mạnh với hạn và mặn.
Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước phân tử của 41 protein dao động từ 57 đến 1002 amino acid, với trọng lượng phân tử từ 6,25 đến 112,63 kDa Trong số này, 25 protein có điểm đẳng điện dưới 7, cho thấy tính acid, trong khi 16 protein có tính base với điểm đẳng điện trên 7 Giá trị điểm đẳng điện của các protein này dao động từ Ca_23092 (4,12) đến Ca_07290 (10,05) Đáng chú ý, 21 protein có độ bất ổn định thấp hơn mức trung bình.
41 (từ 14,84 đến 40,57) và 20 protein có độ bất ổn định cao hơn 41 (49,14 đến
Các protein được nghiên cứu cho thấy tính ổn định và không ổn định trong điều kiện ống nghiệm, với 10 trong số 41 protein có giá trị ưa nước trung bình dương, cho thấy chúng có tính kỵ nước Ngược lại, 31 protein còn lại có giá trị ưa nước trung bình âm, chứng tỏ tính ưa nước của chúng.
Bảng 4.5 Phân tích đặc tính lý hóa của các gene cùng có biểu hiện kìm hãm mạnh giữa tác động hạn và mặn
STT Mã protein L (aa) mW( kDa) pI GRAVY II
Kết quả phân tích gene họ Factor-Y trong điều kiện mất nước và xử lý abscisic acid trên cây đậu gà cho thấy các đặc điểm của CaNF-Y, bao gồm chiều dài protein, trọng lượng phân tử, độ bất ổn định, đẳng điện và độ ưa nước CaNF-YAs có chiều dài protein từ 206 đến 339 gốc amino acid, trong khi CaNF-YBs và CaNF-YCs có kích thước từ 104 đến 244 và 114 đến 357 gốc amino acid Trọng lượng phân tử của CaNF-Y dao động từ 11,71 đến 40,52 kDa, với giá trị pI từ 4,42 (acid) đến 9,17 (base) Hầu hết các CaNF-Y, ngoại trừ một số loại, được phân loại là không ổn định, và giá trị GRAVY của phần lớn CaNF-Y cho thấy tính chất ưa nước.
K ế t qu ả phân tích v ị trí n ộ i bào c ủ a các protein bi ể u hi ệ n m ạ nh v ới điề u
Dựa trên công cụ YLoc (Briesemeister et al., 2010), nghiên cứu đã sử dụng trình tự amino acid để dự đoán vị trí phân bố nội bào của protein mã hóa bởi 41 DEG trong điều kiện hạn và mặn trên cây đậu gà Kết quả được trình bày trong hình 4.7.
Hình 4.7 Sốlượng protein được dựđoán có khả năng xuất hiện trong nội bào
Các protein phân bố ở nhiều vị trí khác nhau trong tế bào, với 16 loại protein chủ yếu xuất hiện ở tế bào chất, bao gồm: Ca_02849, Ca_09553, Ca_09735, Ca_13953, Ca_14015, Ca_22375, và Ca_23121.
Các protein quan trọng bao gồm Ca_02282, Ca_04882, Ca_05326, Ca_07754, Ca_11640, Ca_12146, Ca_12448, Ca_22396 và Ca_26813 Ngoài ra, có 10 protein khác có thể xuất hiện, bao gồm Ca_08179, Ca_13252, Ca_23092, Ca_23668, Ca_00759, Ca_02410, Ca_13380, Ca_16099, Ca_22885 và Ca_24594 Tìm kiếm cho thấy có 6 protein có thể nằm trong màng sinh chất, trong đó có Ca_05499.
Trong nghiên cứu, đã xác định được 2 protein có khả năng xuất hiện tại lục lạp là Ca_01016 và Ca_10731, cùng với 2 protein trong mạng lưới nội chất là Ca_00495 và Ca_15711 Ngoài ra, có 2 protein có khả năng cư trú tại ty thể là Ca_13069 và Ca_18859 Khả năng tìm thấy các protein ở không bào, Peroxisome và thể Golgi là thấp nhất, với các kết quả lần lượt là Ca_07290, Ca_16555 và Ca_23896 Đối chiếu với kết quả phân tích vị trí cư trú nội bào của họ gene mã hóa SWEET từ nghiên cứu của Chu Đức Hà và cộng sự (2019), cho thấy phần lớn các gene đều nằm trên nhiễm sắc thể, ngoại trừ CaSWEET21 chưa được chú giải Họ gene SWEET phân bố rải rác trên hầu hết các nhiễm sắc thể, không có gene nào được ghi nhận trên nhiễm sắc thể Ca8, trong khi nhiễm sắc thể Ca5 chứa nhiều gene CaSWEET nhất Đáng chú ý, một số gen SWEET nằm ở vị trí cận đầu mút của nhiễm sắc thể, bao gồm các gene CaSWEET01 và CaSWEET03.
Các gen Ca1, CaSWEET04, CaSWEET08, CaSWEET09 và CaSWEET16 có vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí cận đầu mút của nhiễm sắc thể, điều này được coi là rất bảo thủ và đặc trưng cho từng loài Chúng đóng góp vào cơ chế nhận biết và bắt cặp trong quá trình nguyên phân sớm (Calderón et al., 2014).
PHẦN V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Khai thác dữ liệu microarray, chúng tôi đã xác định được 2.627 và 614 gen biểu hiện khác biệt (DEG) liên quan đến stress hạn và mặn ở rễ cây đậu gà, với giá trị |fold - change| ≥ 15 Trong số đó, có 15 DEG tăng cường và 26 DEG kìm hãm biểu hiện trong cả hai loại stress này.
Chú giải chức năng gene cho thấy 12 DEG mã hóa cho protein chức năng,
Trong nghiên cứu, đã xác định được 24 DEG mã hóa cho protein điều hòa và 5 DEG chưa được chú giải chức năng Các protein này chủ yếu là enzyme, nhân tố phiên mã và protein vận chuyển, đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chống chịu stress thẩm thấu của tế bào Đánh giá đặc tính cho thấy kích thước của các protein dao động từ 57 (6,25 kDa) đến 1.002 gốc amino acid (112,63 kDa), trong đó có 25 protein có tính acid và 16 protein có tính base Ngoài ra, 31 protein có tính ưa nước và 10 protein có tính kỵ nước.
Dự đoán vị trí phân bố nội bào của các protein cho thấy 16 protein cư trú tại tế bào chất, 10 protein nằm trong nhân tế bào, và 6 protein trên màng sinh chất, trong khi các protein còn lại phân bố rải rác tại các bào quan chính trong tế bào.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
Nguyễn Quốc Trung, Tống Văn Hải, Trịnh Thị Lam Hồng, La Việt Hồng,
Trần Đăng Khoa, Trần Văn Tiến và Chu Đức Hà (2022) đã thực hiện nghiên cứu phân tích nhóm gene chính liên quan đến khả năng đáp ứng với stress hạn và mặn ở cây đậu gà (Cicer arietinum) thông qua việc giải mã hệ phiên mã Nghiên cứu này đã được chấp nhận đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thái Nguyên.
Tài li ệ u Ti ế ng Vi ệ t
Chu Đứ c Hà và các cộng sự (2019) đã thực hiện nghiên cứu về việc định danh và phân tích cấu trúc của họ gen mã hóa protein vận chuyển đường sucrose ở cây đậu gà (Cicer arietinum) Nghiên cứu được công bố trong Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, số 194(1), trang 133-138.
Tài li ệ u Ti ế ng Anh
[2] Abbo, S., Shtienberg, D., Lichtenzveig, J., Lev-Yadun, S., & Gopher, A (2004) The Chickpea, Summer Cropping, and a New Model for Pulse Domestication in the Ancient Near East The Quarterly review of biology, 78, 435-448 doi: 10.1086/378927
[3] Amri, M., Abbes, Z., Bouhadida, M., Halila, I., Najar, A., Kumari, S., Kharrat, M
(2016) Achievements of the national chickpea (Cicer arietinum L.) breeding program in Tunisia
[4] Badhan, S., Kole, P., Ball, A., & Mantri, N (2018) RNA sequencing of leaf tissues from two contrasting chickpea genotypes reveals mechanisms for drought tolerance Plant Physiol Biochem, 129, 295-304 doi: 10.1016/j.plaphy.2018.06.007
[5] Barrett, T., Wilhite, S E., Ledoux, P., Evangelista, C., Kim, I F., Tomashevsky, M., Soboleva, A (2013) NCBI GEO: archive for functional genomics data sets update Nucleic Acids Res, 41(Database issue), D991-995 doi: 10.1093/nar/gks1193
[6] Briesemeister, S., Rahnenführer, J., & Kohlbacher, O (2010) YLoc an interpretable web server for predicting subcellular localization Nucleic acids research, 38(Web Server issue), W497-W502 doi: 10.1093/nar/gkq477
[7] Calderón, M., Rey M D., Cabrera A., and Prieto P., (2014) The subtelomeric region is important for chromosome recognition and pairing during meiosis Sci Rep, 4(6488): 1-6
[8] Cummings, J., Stephen, A., Branch, W., Bruce, W., Correa, P., Lipkin, M., Wilkins, T
[9] Cuong, T., Chu, H., Nguyen, K., Watanabe, Y., Viet La, H., Khanh, T., & Tran, L.-S
In a 2018 study published in the Journal of Plant Growth Regulation, researchers conducted a genome-wide identification of the TCP transcription factor family in chickpea (Cicer arietinum L.) The study explored the transcriptional responses of these factors to dehydration and treatments with exogenous abscisic acid, highlighting their potential role in plant stress responses The findings contribute to a better understanding of the genetic mechanisms underlying chickpea's adaptability to environmental stressors.
[10] Chu, H., Nguyen, K., Watanabe, Y., Le, D., Pham, T., Mochida, K., & Tran, L.-S
In a study published in the International Journal of Molecular Sciences, researchers conducted an identification and structural characterization of the Nuclear Factor-Y family members in chickpea (Cicer arietinum L.) The analysis focused on gene expression under conditions of dehydration and abscisic acid treatments, highlighting the significance of these factors in plant stress responses The findings contribute to a deeper understanding of the molecular mechanisms involved in chickpea's adaptation to environmental stressors.
[11] Deokar, A A., Kondawar, V., Kohli, D., Aslam, M., Jain, P K., Karuppayil, S M., Srinivasan, R (2015) The CarERF genes in chickpea (Cicer arietinum L.) and the identification of CarERF116 as abiotic stress responsive transcription factor Functional & Integrative Genomics, 15(1), 27-46 doi: 10.1007/s10142-014-0399-7
[12] El-Gebali, S., Mistry, J., Bateman, A., Eddy, S R., Luciani, A., Potter, S C., Finn, R D
(2019) The Pfam protein families database in 2019 Nucleic Acids Res, 47(D1), D427-d432 doi: 10.1093/nar/gky995
[13] Garg, R., Shankar, R., Thakkar, B., Kudapa, H., Krishnamurthy, L., Mantri, N., Jain, M
(2016) Transcriptome analyses reveal genotype- and developmental stage-specific molecular responses to drought and salinity stresses in chickpea Scientific Reports, 6(1), 19228 doi: 10.1038/srep19228
[14] Gunes, A., Inal, A., Adak, M.S., Alpaslan, M., Bagci, E.G., Erol, T., and Pilbeam, D.J
(2007) 687 Mineral nutrition of wheat, chickpea and lentil as affected by mixed cropping and soil 688 moisture Nutrient Cycling in Agroecosystems 78, 83-96
[15] Ha, C., Esfahani, M., Watanabe, Y., Tran, U., Sulieman, S., Mochida, K., Tran, L.-S
(2014) Genome-Wide Identification and Expression Analysis of the CaNAC Family Members in Chickpea during Development, Dehydration and ABA Treatments PloS one, 9, e114107 doi: 10.1371/journal.pone.0114107
[16] Jain, M., Misra, G., Patel, R K., Priya, P., Jhanwar, S., Khan, A W., Chattopadhyay, D
(2013) A draft genome sequence of the pulse crop chickpea (Cicer arietinum L.) Plant J, 74(5), 715-729 doi: 10.1111/tpj.12173
[17] Jukanti, A K., Gaur, P M., Gowda, C L., & Chibbar, R N (2012) Nutritional quality and health benefits of chickpea (Cicer arietinum L.): a review Br J Nutr, 108 Suppl 1, S11-
[18] Kaashyap, M., Ford, R., Kudapa, H., Jain, M., Edwards, D., Varshney, R., & Mantri, N
(2018) Differential Regulation of Genes Involved in Root Morphogenesis and Cell Wall Modification is Associated with Salinity Tolerance in Chickpea Scientific Reports, 8(1),
[19] Kaur, M., Singh, N., & Sodhi, N S (2005) Physicochemical, cooking, textural and roasting characteristics of chickpea (Cicer arietinum L.) cultivars Journal of Food Engineering, 69(4), 511-517 doi: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2004.09.002
[20] Kendall, C W., Emam, A., Augustin, L S., & Jenkins, D J (2004) Resistant starches and health J AOAC Int, 87(3), 769-774
[21] Kumar, M., Chauhan, A S., Kumar, M., Yusuf, M A., Sanyal, I., & Chauhan, P S
(2019) Transcriptome Sequencing of Chickpea (Cicer arietinum L.) Genotypes for Identification of Drought-Responsive Genes Under Drought Stress Condition Plant Molecular Biology Reporter, 37(3), 186-203 doi: 10.1007/s11105-019-01147-4
[22] La, H V., Chu, H D., Tran, C D., Nguyen, K H., Le, Q T N., Hoang, C M., Tran,
The study by L P (2022) explores the gene and protein structures of the CaSWEET family in chickpeas (Cicer arietinum) and examines their expression patterns across various organs under different stress conditions and abscisic acid treatments The findings contribute to a deeper understanding of the genetic mechanisms involved in stress responses in chickpeas, highlighting the significance of the CaSWEET family in plant resilience.
[23] Mantri, N (2007) Gene expression profiling of chickpea responses to drought, cold and high-salinity using cDNA microarray
[24] Mantri, N L., Ford, R., Coram, T E., & Pang, E C K (2007) Transcriptional profiling of chickpea genes differentially regulated in response to high-salinity, cold and drought BMC Genomics, 8(1), 303 doi: 10.1186/1471-2164-8-303
[25] Molina, C., Rotter, B., Horres, R., Udupa, S M., Besser, B., Bellarmino, L., Winter, P
(2008) SuperSAGE: the drought stress-responsive transcriptome of chickpea roots BMC Genomics, 9(1), 553 doi: 10.1186/1471-2164-9-553
